杨东江教授、邹译慧教授，CEJ研究工作：非晶态网络与氧空位协同工程用于增强钒氧化物中的钠离子存储

第一作者：李昊霖

第一作者：李昊霖

单位：青岛大学

随着新世纪便携式智能电子产品的普及，锂离子电池(LIBs)和钾离子电池(PIBs)在储能领域得到了广泛应用。但是由于锂的区域分布不平衡和大量消耗，钾资源丰富但反应动力学缓慢，钠离子电池(SIBs)因其丰富的钠储量而成为LIBs和PIBs的合适替代品。近年来，钒氧化物(V ₂ O ₅ )作为一种典型的层状材料并具有较高的理论容量已经成为SIBs极具潜力的负极材料。然而，由于相邻双层中两个钒原子之间的距离较窄，在较高电流密度的充放电循环下它会遭受较大的容量损失。因此，如何调节V ₂ O ₅ 层间距离是提高其容量和稳定性成为关键。

近日，来自 青岛大学的杨东江教授与邹译慧教授合作 ，在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为 “Synergistic engineering of amorphous network and oxygen vacancies in vanadium oxides for enhanced sodium-ion storage” 的研究论文。该论文采用质子化壳聚糖合成了Vos和无定形区域共调节氧化钒(V ₂ O ₅ -Vo-A)作为SIBs的负极材料。在还原气氛中通过晶体控制生长，引入了Vos缺陷和非晶结构。在连续的Na ⁺ 脱嵌过程中，非晶态区域抑制了体积膨胀，增加了电容对容量的贡献。密度泛函理论(DFT)计算表明，V ₂ O ₅ -Vo在整个费米能级上都增加了电荷密度。Vos的引入可以将两个钒原子之间的相邻双层距离扩大到4.76 Å。这些结构优化改善了电化学反应动力学，提高了Na ⁺ 的结合能(-1.32 eV)，缓解了V ₂ O ₅ -Vo材料在Na ⁺ 存储过程中的结构变化(0.87%)，加速了电荷转移(-0.86 eV)。作为SIBs的负极材料，合成的V ₂ O ₅ -Vo-A电极具有优异的循环性能和优异的倍率性能。

氧空位在提高电导率和影响许多半导体材料理化性能方面具有较大的优势，Vos是氧化物中的电子供体，它的功能是双重的。首先，它不仅可以诱导金属氧化物内部电子结构的变化，从而促进电子和离子的传递。之后，电极/电解质界面上的Vos也可以通过改变表面的热力学来抑制相变，从而帮助维持电极表面的完整性。DFT证明通过引入Vos来调整电子分布和轨道变化可以提高V/O比和调整层间距。

由于Na ⁺ 在解离过程中伴随着结构崩塌和体积膨胀，非晶区域的构建是电极材料在重复循环过程中承受大体积膨胀的有效策略。此外，非晶材料的各向同性结构提供了大量的活性位点，导致了快速扩散的动态。同时，非晶材料的赝电容特性不仅带来了良好的速率性能，还避免了与相变相关的动力学限制。

通过Vos和非晶区共调控氧化钒(V ₂ O ₅ -Vo-A)作为SIBs的负极材料，不仅抑制了Na ⁺ 脱嵌过程中的体积膨胀，Vos和非晶区域的引入也为Na ⁺ 的脱嵌提供了更多的活性位点和通道，提高了材料的导电性。总之，本文提出了一种提高金属氧化物Na ⁺ 存储性能的新方法，强调了V ₂ O ₅ -Vo-A在SIBs中的应用潜力，同时，此种方法也有望应用于更多的金属氧化物。

Synergistic engineering of amorphous network and oxygen vacancies in vanadium oxides for enhanced sodium-ion storage https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723063283

杨东江 教授简介：2006年博士毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，青岛大学特聘教授，泰山学者特聘专家（两个聘期），山东省杰青，博士生导师，山东省学位委员会环境科学与工程学科评议组成员，学科带头人，青岛市政协委员。入选2022年斯坦福大学全球前2%顶尖科学家终身成就榜及2022年科睿唯安全球高被引科学家。主持国家级和省部级以上科研项目8项，以第一/通讯作者发表发表高水平学术论文300余篇，总引用超16000次，H因子73。授权国家发明专利15项，出版专著《海藻多糖基能源环境材料》。获山东省自然科学二等奖，青岛市自然科学一等奖，山东省优秀研究生指导教师。长期致力于可再生海藻制备高性能储能材料、生物质纳米功能化和环境科学等跨学科研究工作，开发了可代替贵金属铂的海藻基氢燃料电池催化剂和膜电极，对非金属氢燃料电池催化剂进行产业化探索。

邹译慧 教授简介：青岛大学特聘教授，主要研究方向是海洋生物多糖海藻酸盐的多金属离子限域调控、不同微-纳结构调控、阳离子空位及阴离子空位点缺陷结构调控，以此实现电极与电催化剂的高效低阻能质传输与转化，并获得能量存储与转化系统中高效稳定的电极与电催化剂的绿色合成新方法。在Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Energy Stor. Mater.、Carbon Energy、Nano Energy、Appl. Catal. B、ACS Nano、Small等知名期刊上发表论文20余篇。出版著作1部，获得授权专利5项。

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